雙極晶體管模型

雙極晶體管模型第1頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六雙極晶體管模型和模型參數(shù)一、概述二、EM－1模型(J.J.EbersJ.L.Moll)三、EM－2模型四、EM－3模型五、EM－1、EM－2和EM－3中的模型參數(shù)六、其他效應的考慮七、獲取晶體管模型參數(shù)的基本方法

第2頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六雙極晶體管模型和模型參數(shù)一、

概述

(1)

電路中的有源器件用模型描述該器件的特性。不同的電路模擬軟件中采用的模型不完全相同，模型參數(shù)的名稱和個數(shù)也不盡相同。

(2)

晶體管模型實際上以等效電路的形式描述晶體管端電流和端電壓之間的關(guān)系。電路模擬過程中，實際上是以等效電路代替晶體管器件，然后建立回路方程、計算求解。

(3)

電路模擬結(jié)果是否符合實際情況，主要取決于晶體管模型是否正確，特別是采用的模型參數(shù)是否真正代表實際器件的特性。

(4)

晶體管模型越精確，電路模擬效果越好，但是計算量也越大，因此應折衷考慮。這樣，對同一種器件，往往提出幾種模型。

(5)學習中應該掌握模型參數(shù)的含義，特別應注意每個模型參數(shù)的作用特點，即在不同的電路特性分析中必需考慮考慮哪些模型參數(shù)。每個模型參數(shù)均有內(nèi)定值。對于默認值為0或者無窮大的模型參數(shù)，如果采用內(nèi)定值，相當于不考慮相應的效應。

(6)

如果采用模擬軟件附帶的模型參數(shù)庫，當然不存在任何問題。如果采用模型參數(shù)庫中未包括的器件，如何比較精確地確定該器件的模型參數(shù)將是影響電路模擬結(jié)果的關(guān)鍵問題。第3頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六PSpice模型參數(shù)庫中的

Q2N2222模型參數(shù)描述.modelQ2N2222NPN(Is=14.34fXti=3Eg=1.11+Vaf=74.03Bf=255.9Ne=1.307Ise=14.34f+Ikf=.2847Xtb=1.5Br=6.092Nc=2Isc=0+Ikr=0Rc=1Cjc=7.306pMjc=.3416+Vjc=.75Fc=.5Cje=22.01pMje=.377+Vje=.75Tr=46.91nTf=411.1pItf=.6+Vtf=1.7Xtf=3Rb=10)第4頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六二、

EM－1模型

(J.J.EbersJ.L.Moll)1.基本關(guān)系式(針對NPN晶體管)

若外加電壓為：Vb’e’≠0,Vb’c’=0

流過b’e’的電流為：IF=IES[exp(qVb’e’/kt)-1]

則Ie=-IF,IC=αFIF(電流方向以流進電極為正)

若外加電壓為：Vb’e’＝0,Vb’c’≠0

流過b’c’的電流為：IR=ICS[exp(qVb’c’/kt)-1]

則Ie=αRIR,IC=-IR

在一般情況下，Vb’e’≠0,Vb’c’≠0，則得：Ie=-IF＋αRIR

IC=αFIF-IR

這就是晶體管直流特性方程,包括αF、αR

、IES和ICS共4個參數(shù)。由互易定理，αFIES＝αRICS,

記為αFIES＝αRICS

＝IS(稱為晶體管飽和電流)，所以直流特性中只有3個獨立參數(shù)。取3個模型參數(shù)為αF、αR和IS。

第5頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六二、

EM－1模型

(J.J.EbersJ.L.Moll)2.實用關(guān)系式對上述方程進行下述處理，可以得到實用的直流特性模型。記αFIF＝αFIES[exp(qVb’e’/kt)-1]

＝IS[exp(qVb’e’/kt)-1]＝ICCCC：CollectorCollectedαRIR＝αRICS[exp(qVb’c’/kt)-1]

＝IS[exp(qVb’c’/kt)-1]＝IECEC：EmitterCollected

代入前面方程，得：

Ie=-IF＋αRIR＝－ICC/αF+IEC=(-ICC/αF+ICC)-(ICC-IEC)=-ICC/βF-ICT(ICT＝ICC-IEC)IC=αFIF-IR=ICC-IEC/αR=(ICC-IEC)-(IEC/αR-IEC)=ICT-IEC/βR第6頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六2.實用關(guān)系式

Ie=-ICC/βF-ICTIC=ICT-IEC/βR

這就是實用雙極晶體管直流特性模型，共有3個模型參數(shù)：IS、βF和βR

這3個參數(shù)記為：

IS(晶體管飽和電流)BF(正向電流放大系數(shù))

BR(反向電流放大系數(shù))。考慮到電流和電壓的指數(shù)關(guān)系是exp(qVb’c’/NFkt)和exp(qVb’e’/NRkt)

則直流模型中還要包括兩個模型參數(shù):NF(正向電流發(fā)射系數(shù))

NR(反向電流發(fā)射系數(shù))。

第7頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六二、

EM－1模型

(J.J.EbersJ.L.Moll)

Ie=-ICC/βF-ICTIC=ICT-IEC/βR

第8頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六三、EM－2模型

在表示直流特性的EM－1模型基礎上，再考慮串聯(lián)電阻、勢壘電容和擴散電容，就得到考慮寄生參數(shù)和交流特性的EM－2模型。1.串聯(lián)電阻考慮3個電極的串聯(lián)電阻，新增3個模型參數(shù)：RB、RE和RC。2.勢壘電容反偏情況下勢壘電容的一般表達式為：CJ＝CT0(1-V/VJ)-mj

一共有3個參數(shù)。其中CT0是零偏勢壘電容，與結(jié)面積以及工藝有關(guān)；

VJ是勢壘內(nèi)建電勢，與材料類型以及摻雜濃度有關(guān)；

mj是電容指數(shù)，與結(jié)兩側(cè)雜質(zhì)分布情況有關(guān)?？紤]eb結(jié)勢壘電容，新增3個模型參數(shù)：CTE0、VJE和MJE?？紤]bc結(jié)勢壘電容，新增3個模型參數(shù)：CTC0、VJC和MJC

考慮襯底結(jié)勢壘電容，新增3個模型參數(shù)：CTS0、VJS和MJS

在正偏條件下，勢壘電容的表達式為：

CJ=CT0(1-FC)-(1+mj)(1-FC(1+mj)+mjV/VJ)

又新增一個模型參數(shù)FC(勢壘電容正偏系數(shù))。第9頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六三、EM－2模型3.擴散電容發(fā)射結(jié)擴散電容為：Cde＝τF(qICC/kT)

新增模型參數(shù)：TF(正向渡越時間)

集電結(jié)擴散電容為：Cdc＝τR(qIEC/kT)

新增模型參數(shù)：TR(反向渡越時間)

因此，EM－2模型中新增15個模型參數(shù)。4.EM-2模型和EM-1模型對EM－2模型，RB、RE、RC、CTE0、CTC0、CTS0、TF和TR這8個參數(shù)的內(nèi)定值均為0。若全部采用內(nèi)定值，EM－2模型將簡化為EM－1模型。

第10頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六三、EM－2模型

第11頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六四、EM－3模型

EM－1和EM－2是描述晶體管直流和交流特性的基本模型。進一步考慮晶體管的二階效應，包括基區(qū)寬度調(diào)制、小電流下復合電流的影響、大注入效應等，就成為EM－3模型。1.基區(qū)寬度調(diào)制效應(Early效應)(1)基區(qū)寬度調(diào)制效應的影響隨著|Vbc|的增加，使有效基區(qū)寬度Xb減小，從而使Is增加、β增加，而渡越時間τ則減小。因此，需要定量表征基區(qū)寬度調(diào)制效應對這些參數(shù)的影響。

(2)正向Early電壓采用正向Early電壓VA描述基區(qū)寬度調(diào)制效應。

第12頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六四、EM－3模型

(3)反向Early電壓可以采用同樣方法考慮晶體管反向放大狀態(tài)下Ve’b’的作用，引入反向Early電壓，記為VB。因此，考慮基區(qū)寬度調(diào)制效應，引進了兩個新的模型參數(shù)VA(正向Early電壓)和VB(反向Early電壓)。這兩個模型參數(shù)的內(nèi)定值均為無窮大。這就是說，若采用其內(nèi)定值，實際上就不考慮基區(qū)寬度調(diào)制效應。第13頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六四、EM－3模型2.大電流和小電流下電流放大系數(shù)β減小現(xiàn)象的描述

(1)

小電流效應的表征在小電流下，電流放大系數(shù)減小的原因是由于勢壘復合和基區(qū)表面復合效應，使基區(qū)電流所占的比例增大。為此，引入下述基區(qū)復合電流項描述be結(jié)的影響：

Ib(復合)=I2＝ISE[exp(qVb’e’/NekT)-1]

對bc結(jié)，采用同樣方法，引入又一項基區(qū)復合電流：

I4＝ISC[exp(qVb’c’/NckT)-1]

相當于等效電路中IB增加兩個電流分量。

因此，要考慮基區(qū)復合電流的影響，需新增下述4個模型參數(shù)描述小電流下復合電流對電流放大系數(shù)的影響：

ISE(發(fā)射結(jié)漏飽和電流)ISC(集電結(jié)漏飽和電流)NE(發(fā)射結(jié)漏電流發(fā)射系數(shù))NC(集電結(jié)漏電流發(fā)射系數(shù))

第14頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六四、EM－3模型2.大電流和小電流下電流放大系數(shù)β減小現(xiàn)象的描述

第15頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六四、EM－3模型(2)

大注入效應的表征大電流下，由于大注入效應，使ICC隨結(jié)電壓V的增加變慢，從exp(qV/kT)關(guān)系逐步變?yōu)閑xp(qV/2kT)。為此，只需將ICC表達式作下述修正，等效電路無需變化：ICC=IS[exp(qVb’e’/kT)-1]/[1+(IS/IKF)exp(qVb’e’/2kT)]

顯然，在一般注入下，分母項近似等于1，則ICC=IS[exp(qVb’e’/kT)-1]

在大注入情況下，分母中1可以忽略不計，則ICC=IS[exp(qVb’e’/2kT)]

對bc結(jié)，作同樣分析，得：IEC=IS[exp(qVb’c’/kT)-1]/[1+(IS/IKR)exp(qVb’c’/2kT)]

因此，考慮大注入效應，新增兩個模型參數(shù)：

IKF：表征大電流下正向電流放大系數(shù)下降的膝點電流

IKR：大電流下反向電流放大系數(shù)下降的膝點電流第16頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六四、EM－3模型3.基區(qū)擴展效應對渡越時間的影響

由于基區(qū)擴展效應(Kirk效應)等的影響，使渡越時間隨工作電壓和工作電流發(fā)生變化。為此采用下述表式進行修正：TF=TF0[1+XTF(ICC/(ICC+ITF))2exp(Vb’c’/1.44VTF)]

新增3個模型參數(shù)。

XTF(表征偏置條件對渡越時間影響的偏置系數(shù))；

ITF(表征ICC對渡越時間影響的特征電流)；

VTF(表征Vb’c’對渡越時間影響的特征電壓)。第17頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六五、EM－1、EM－2和EM－3中的模型參數(shù)

下表總結(jié)了上述29個模型參數(shù)對應的物理模型，以及在哪種工作狀態(tài)下必需考慮該參數(shù)。第18頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六基本的雙極晶體管模型參數(shù)第19頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六六、其他效應的考慮

在PSpice模擬軟件采用的雙極晶體管模型中，還同時考慮許多其他問題。例如：模型參數(shù)隨溫度的變化(包括晶體管飽和電流、漏電流、電流放大系數(shù)、串聯(lián)電阻、勢壘內(nèi)建電勢、結(jié)電容等參數(shù))；噪聲模型；禁帶寬度參數(shù)等等。使雙極晶體管模型參數(shù)總數(shù)達到60個。第20頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六七、獲取晶體管模型參數(shù)的基本方法(1)分別測定法：通過測量器件的某些特性，直接得到或者推算出某些模型參數(shù)值。參見Ian.E.格特魯著“雙極型晶體管模型”一書。

(2)模型參數(shù)的優(yōu)化提?。阂詼y定的一組器件端特性為出發(fā)點，采用優(yōu)化提取方法。

OrCAD/PSpice軟件包提供有模型參數(shù)提取模塊ModelED。在提取過程中，對不同類型的器件，按照對話框提示，輸入相應的器件端特性測量數(shù)據(jù)，ModelED模塊即提取出相應的模型參數(shù)。為了進一步提高提取精度，還可以在ModelED基礎上再調(diào)用PSpice/Optimizor模塊進行全局優(yōu)化。第21頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六英文復習第22頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六微電子學院Chapter5：switchingcharacteristicsofBJT第23頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六Chapter5：switchingcharacteristicsofBJT微電子學院第24頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六微電子學院Chapter5：switchingcharacteristicsofBJT第25頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六微電子學院Chapter5：switchingcharacteristicsofBJT第26頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六微電子學院Chapter5：switchingcharacteristicsofBJT第27頁，共43頁，2023年，2月20日，星期六微電子學院Chapter1：PNJunction第28頁，共43頁，2023年，2月2